電氣幾何模型對(duì)500kV變電站雷電侵入波風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的影響

周欣佳 蔣傳文

（國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海 200122）

電氣幾何模型對(duì)500kV變電站雷電侵入波風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的影響

周欣佳 蔣傳文

（國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海 200122）

為研究電氣幾何模型對(duì)500kV變電站雷電侵入波風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的影響，本文分析并比對(duì)了以往國(guó)內(nèi)外提出的各類電氣幾何模型，針對(duì)某典型500kV變電站雷電侵入波模型，采用Matlab編程結(jié)合變電站ATP-EMTP過電壓模型；分別計(jì)算了在不同電氣幾何模型下，雷電流幅值分布、進(jìn)線段桿塔高度與桿塔接地電阻對(duì)變電站內(nèi)主變平均故障間隔時(shí)間（Mean Time Between Failure，MTBF）的影響。此研究結(jié)果可供對(duì)500kV變電站雷電過電壓與絕緣配合進(jìn)行設(shè)計(jì)、評(píng)估時(shí)參考。

電氣幾何模型；500kV變電站；雷電侵入波；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

500kV變電站是電力系統(tǒng)的重要樞紐，雷電侵入波導(dǎo)致的事故是電網(wǎng)大面積停電的重要危害。年預(yù)計(jì)變電站雷電侵入波次數(shù)是500kV變電站雷電侵入波風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的主要影響因素，以往大量標(biāo)準(zhǔn)、報(bào)告、論文中僅采用規(guī)程法、電氣幾何模型法對(duì)500kV變電站雷電侵入波風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行工程性的計(jì)算評(píng)估[1-5]，而國(guó)內(nèi)外提出了大量電氣幾何模型[4,6-8]，并沒有研究過電氣幾何模型對(duì)500kV變電站雷電侵入波風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的影響。

現(xiàn)如今在國(guó)家電網(wǎng)公司精細(xì)化管理、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的背景下，深入研究電氣幾何模型對(duì)500kV變電站雷電侵入波風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的影響，是500kV變電站雷電過電壓與絕緣配合的設(shè)計(jì)、評(píng)估基礎(chǔ)，對(duì) 500kV變電站雷電環(huán)境下設(shè)計(jì)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性有重要的工程意義。

本文采用Matlab編寫的電氣幾何模型程序結(jié)合ATP-EMTP建立的500kV變電站雷電侵入波模型，以變電站主變平均故障間隔時(shí)間（Mean Time Between Failure，MTBF）定義變電站雷電侵入波風(fēng)險(xiǎn)，研究了不同電氣幾何模型下，雷電流幅值分布、進(jìn)線段桿塔高度與桿塔接地電阻對(duì)變電站主變MTBF的影響。

1 國(guó)內(nèi)外電氣幾何模型比對(duì)分析

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外500kV變電站雷電侵入波風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估所用的電氣幾何模型由Wagner等人在1961年基于試驗(yàn)室雷擊模型試驗(yàn)首次提出，后經(jīng)過試驗(yàn)室雷擊大比例尺模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析的修正，得出11個(gè)改進(jìn)電氣幾何模型。電氣幾何模型的核心是雷電擊距[4,6-8]，亦可稱為雷擊目的物的引雷半徑，雷電下行先導(dǎo)對(duì)導(dǎo)線的擊距[4]rc為

式中，I為雷電流幅值，kA；a和b是試驗(yàn)或觀測(cè)統(tǒng)計(jì)得出的常數(shù)。

雷電下行先導(dǎo)對(duì)地面的擊距[4]rg為

式中，I為雷電流幅值，kA；c和d是試驗(yàn)或觀測(cè)統(tǒng)計(jì)得出的常數(shù)。

以往國(guó)內(nèi)外提出的電氣幾何模型種類繁多，本文通過大量調(diào)研國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、報(bào)告、論文中 500kV輸電線路、變電站雷電侵入波風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，總結(jié)出表1中4種常用的電氣幾何模型用于本文分析。表中，h為導(dǎo)線平均高度，m；EHV和UHV分別代表超高壓、特高壓線路。不同電氣幾何模型得出的導(dǎo)線引雷半徑差異顯著。正是這一差異，將導(dǎo)致采用不同電氣幾何模型得出500kV變電站雷電侵入波風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果不同。

表1 用于分析的不用的電氣幾何模型參數(shù)

2 500kV變電站雷電侵入波風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

2.1 500kV變電站雷電侵入波幅值計(jì)算模型

500kV變電站雷電侵入波過電壓計(jì)算的模型如圖1所示，在ATP-EMTP中建模主要分為變電站主接線和變電站進(jìn)線段兩塊模型。

500kV變電站站內(nèi)設(shè)備、接線數(shù)量繁多，一般在雷電侵入波過電壓計(jì)算時(shí)要將其進(jìn)行化簡(jiǎn)，因?yàn)檩o助設(shè)備、接線越多，對(duì)雷電侵入波的分流越大，簡(jiǎn)化后的模型分析的是雷擊風(fēng)險(xiǎn)較高的情況。簡(jiǎn)化后的500kV變電站主接線模型如圖2所示。

圖1 500kV變電站雷電侵入波過電壓計(jì)算示意圖

圖2 500kV變電站雷電侵入波過電壓計(jì)算主接線圖

在雷電過電壓波的頻率范圍內(nèi)，變電站各主設(shè)備都呈入口電容狀態(tài)，主變?nèi)肟陔娙萑?000pF，斷路器入口電容取 800pF，電壓互感器入口電容取3000pF，隔離開關(guān)入口電容取 300pF，電流互感器入口電容取 1000pF。站用避雷器采用 Y20W-444/1106，其標(biāo)稱額定電壓為 444kV，標(biāo)稱放電電流（8/20μs）為15kA。由于研究主要因素為電氣幾何模型，考慮篇幅，本文僅列出主變雷電侵入波過電壓下的MTBF結(jié)果，主變雷電全波沖擊耐受電壓幅值為1425kV，絕緣配合系數(shù)取1.15。站內(nèi)母線、設(shè)備連線采用波阻抗模型，取300Ω，變電站接地電阻取1Ω。

在變電站進(jìn)線段模型中，進(jìn)線段桿塔導(dǎo)線采用水平三相排列，導(dǎo)線間水平距離為14.9m，地線間水平距離為 24.8m，避雷線懸掛點(diǎn)距離導(dǎo)線懸掛點(diǎn)的垂直距離為5.5m，導(dǎo)線懸掛點(diǎn)的的垂直高度為27m，導(dǎo)線型號(hào)為 4分裂 LGJ-400/35，導(dǎo)線直流電阻為0.0739Ω/km，線路檔距為300m，導(dǎo)線弧垂為14m，地線型號(hào)為JLB4-150，地線直流電阻為0.2952Ω/km，地線弧垂為8.5m。線路采用25片垂直懸掛的FC70P-146玻璃絕緣子，絕緣子串總長(zhǎng)為4.23m，絕緣強(qiáng)度為2138kV，采用先導(dǎo)發(fā)展模型模擬絕緣子閃絡(luò)。桿塔采用多波阻抗模型，桿塔接地電阻取7Ω，土壤電阻率為100Ω·m。雷電流模型采用國(guó)際上廣泛使用的Heidler函數(shù)，波形取3.83/77.5μs，雷電通道波阻抗取300Ω?？紤]篇幅，本文僅列出雷擊進(jìn)線段靠近變電站的第二基桿塔塔頂?shù)慕Y(jié)果。

2.2 500kV變電站內(nèi)主設(shè)備MTBF計(jì)算模型

以往國(guó)內(nèi)外在變電站年預(yù)計(jì)雷電反擊侵入波發(fā)生次數(shù)NL主要采用規(guī)程法，如國(guó)內(nèi)規(guī)程[1]：

式中，Ng為地閃密度，次/km2/年；b為兩根避雷線之間的距離，m；hg為避雷線平均高度，m。

IEEE標(biāo)準(zhǔn)[4]規(guī)程法采用：

這兩類變電站年預(yù)計(jì)雷電侵入波發(fā)生次數(shù)算法來源于國(guó)內(nèi)外早期較低電壓等級(jí)、線路高度較低的雷擊統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，而該統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與當(dāng)前國(guó)內(nèi)超、特高壓電壓等級(jí)高桿塔線路的情況存在較大差異，因此需要采用電氣幾何模型法進(jìn)行計(jì)算。如圖3所示，500kV變電站進(jìn)線段地線引雷半徑為

圖3 電氣幾何模型計(jì)算500kV變電站進(jìn)線段線路引雷半徑示意圖

線路等效引雷半徑為

式中，ID是hg=rg時(shí)的臨界雷電流，kA。

500kV變電站年預(yù)計(jì)雷電反擊侵入波發(fā)生次數(shù)為

式中，g為擊桿率，對(duì)于500kV裝設(shè)雙避雷線g取1/6。

由于以往研究表明，對(duì)于500kV電壓等級(jí)的變電站，即便是最大繞擊電流（根據(jù)電氣幾何模型，超過該電流幅值的雷電將擊中避雷線或地面）雷電擊中變電站進(jìn)線段產(chǎn)生的繞擊侵入波幅值也不會(huì)對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備造成威脅，因此，本文只研究 500kV變電站雷電反擊侵入波風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的情況。

變電站主變平均故障間隔時(shí)間（Mean Time Between Failure，MTBF）在本文研究中定義為：雷電反擊侵入波過電壓超過500kV變電站主變沖擊絕緣水平的發(fā)生年限，單位為年/次，計(jì)算如下：

式中，IF為2.1節(jié)采用ATP-EMTP計(jì)算得出使反擊侵入波過電壓超過500kV變電站主變沖擊絕緣水平的反擊雷電流幅值，kA；Pb(IF)為雷電流幅值分布函數(shù)[9]，即

式中，α 為中值雷電流，kA；β 為無量綱系數(shù)，采用上海地區(qū)雷電定位系統(tǒng) 2003—2011年統(tǒng)計(jì)的平均分布，α 為26.7kA，β 為2.4。

3 不同電氣幾何模型的影響分析

3.1 不同雷電流幅值分布的情況

不同地區(qū)雷電流幅值分布差異極大，本文采用雷電定位系統(tǒng)在廣東省[10]、云南省[11]、廣州市[10]長(zhǎng)期觀測(cè)得出的結(jié)果（對(duì)應(yīng)的α 分別為 22.78kA、29.20kA、36.70kA；對(duì)應(yīng)的β 分別為2.58、2.40、3.00）分析不同雷電流幅值分布下，電氣幾何模型對(duì)500kV變電站雷電侵入波風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的影響，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4的結(jié)果可得出以下結(jié)論：

1）雷電流幅值分布中值電流越小，MTBF越高，即變電站雷電侵入波風(fēng)險(xiǎn)越低。

2）在不同電氣幾何模型下，MTBF差異顯著，雷電流幅值分布中值電流越小，電氣幾何模型對(duì)MTBF的影響越顯著。

圖4 不同雷電流幅值分布下電氣幾何模型對(duì)500kV變電站MTBF的影響

3.2 不同進(jìn)線段桿塔高度的情況

計(jì)算得到變電站進(jìn)線段桿塔高度為 32.5m、38.5m和44.5m的情況下，電氣幾何模型對(duì)500kV變電站雷電侵入波風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的影響，計(jì)算結(jié)果分別如圖5至圖7所示。

根據(jù)圖5至圖7的結(jié)果可得出以下結(jié)論：

圖5 桿塔高度為32.5m時(shí)電氣幾何模型對(duì)500kV變電站MTBF的影響

圖6 桿塔高度為38.5m時(shí)電氣幾何模型對(duì)500kV變電站MTBF的影響

圖7 桿塔高度為44.5m時(shí)電氣幾何模型對(duì)500kV變電站MTBF的影響

1）桿塔高度增加，MTBF減小，即變電站雷電侵入波風(fēng)險(xiǎn)增高。

2）在不同電氣幾何模型下，MTBF差異顯著；在不同桿塔高度下，電氣幾何模型對(duì)MTBF的影響接近。

3.3 不同進(jìn)線段桿塔接地電阻的情況

在計(jì)算得到變電站進(jìn)線段桿塔接地電阻分別為10Ω、15Ω和20Ω的情況下，電氣幾何模型對(duì)500kV變電站雷電侵入波風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的計(jì)算結(jié)果分別如圖 8至圖10所示。

圖8 桿塔接地電阻為10Ω時(shí)電氣幾何模型對(duì)500kV變電站MTBF的影響

圖9 桿塔接地電阻為15Ω時(shí)電氣幾何模型對(duì)500kV變電站MTBF的影響

圖10 桿塔接地電阻為20Ω時(shí)電氣幾何模型對(duì)500kV變電站MTBF的影響

根據(jù)圖8至圖10的結(jié)果可得出以下結(jié)論：

1）桿塔接地電阻增加，MTBF減小，即變電站雷電侵入波風(fēng)險(xiǎn)增高。

2）不同電氣幾何模型下 MTBF差異顯著，在不同桿塔接地電阻下，電氣幾何模型對(duì)MTBF的影響接近。

4 結(jié)論

本文分析了在不同電氣幾何模型下，雷電流幅值分布、進(jìn)線段桿塔高度與桿塔接地電阻對(duì) 500kV變電站雷電侵入波風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的影響，得到以下結(jié)論：

1）不同電氣幾何模型下變電站主變MTBF有顯著差異，因此，在500kV變電站雷電過電壓與絕緣配合的設(shè)計(jì)、評(píng)估時(shí)，需要有針對(duì)性的選擇電氣幾何模型。

2）在不同電氣幾何模型下，雷電流幅值分布中值電流提高、桿塔高度增高、桿塔接地電阻增大都會(huì)導(dǎo)致變電站主變MTBF下降。

[1]中華人民共和國(guó)電力工業(yè)部.DL/T 620—1997.交流電氣裝置的過電壓保護(hù)與絕緣配合[S].北京: 中國(guó)電力出版社,1997.

[2]IEC 60071-2 Insulation co-ordination—Part 2: Application guide

[3]IEC 60071-4 Insulation co-ordination—Part 4: Computational guide to insulation co-ordination and modelling of electrical networks.

[4]IEEE Std 1243-1997.IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission Lines.

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Influence of Electro-Geometric Model on Risk Assessment of Lightning Surges in 500kV Substation

Zhou Xinjia Jiang Chuanwen
(Shanghai Municipal Electric Power Company,Shanghai 200437)

In order to study the influence of electro-geometric model on risk assessment of lightning surges in 500kV substation,this paper analysis and compare the electro-geometric models proposed by domestic and abroad scholars.The Matlab program and ATP-EMTP overvoltage calculation are combined and adopted in the model used for 500kV substation lightning surges analysis.Under different electro-geometric models,the influence of lightning current distribution,tower height and tower grounding resistance of substation into line segment on MTBF (Mean Time Between Failure) of 500kV substation main transformer are analyzed.The research results could provide the basis of design and assessment used in lightning overvoltage and insulation coordination of 500kV substations.

electro-geometric model; 500kV substation; lightning surges; risk assessment

周欣佳（1987-），男，碩士，長(zhǎng)期從事超高壓變電運(yùn)行、電網(wǎng)調(diào)度及監(jiān)控工作。